НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

КОВБАСА Сергій Миколайович

УДК 621.313.333.1: 62-83

СИСТЕМА ВЕКТОРНОГО КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ З ВЛАСТИВОСТЯМИ ГРУБОСТІ ДО ВАРІАЦІЙ АКТИВНОГО ОПОРУ РОТОРА

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматизації електромеханічних систем та електроприводу Національного технічного університету України „КПІ” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Пересада Сергій Михайлович,

Національний технічний університет України „КПІ”,

професор кафедри автоматизації електромеханічних систем та електроприводу.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Волков Ігор Володимирович,

завідувач відділу систем стабілізованого струму Інституту електродинаміки НАН України;

кандидат технічних наук, доцент

Войтенко Володимир Павлович,

Чернігівський державний технологічний університет, доцент кафедри промислової електроніки.

Провідна установа Донецький національний технічний університет

(кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок) МОН України.

Захист відбудеться “27” жовтня 2004р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ–57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано “24” вересня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С. Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Сучасні електромеханічні системи автоматизації технологічних установок грають визначну роль у підвищенні показників якості та енергетичної ефективності технологічного обладнання. Системи векторного керування асинхронними двигунами (АД) є одними з найбільш розповсюджених в електромеханічних системах автоматизації широкого класу технологічних об’єктів, в яких пред’являються підвищені вимоги до динамічних та статичних показників якості керування. До таких об’єктів у першу чергу відносяться системи керування рухом в металообробних станках, роботах, гнучкому автоматизованому виробництві, спеціальній техніці. Векторно-керований асинхронний електропривод все частіше використовується також в застосуваннях з менш жорсткими вимогами до динамічних показників якості керування: приводи головного руху та допоміжні електроприводи різноманітних агрегатів і установок в металообробці, прокатному виробництві, хімічній промисловості.

Проблема керування АД являє собою складну нелінійну багатомірну задачу з частково-вимірюваним вектором змінних стану, повний розв’язок якої до цього часу не знайдено. В тому числі недостатньо досліджена поведінка систем векторного керування при варіаціях параметрів асинхронної машини, найбільш критичним з яких є активний опір роторного кола, що є недоступним для вимірювання і може значно змінюватися в процесі роботи машини внаслідок теплових процесів.

Актуальність теми. Більшість існуючих методів векторного керування, у тому числі такі, які реалізовані в серійних електроприводах, демонструють суттєву чутливість до варіацій активного опору роторного кола, що призводить до значних втрат якості керування, зниження показників енергетичної ефективності процесу електромеханічного перетворення енергії.

Для компенсації варіацій активного опору ротора в системах векторного керування можливо використовувати підхід, що базується на теорії адаптивних систем. В такому випадку досягається повна асимптотична компенсація варіацій активного опору ротора без обмежень на діапазон його зміни. Недоліком адаптивних систем є їх чутливість до змін або невизначеності тих параметрів, які не ідентифікуються, а також їх складність. Тому вони до цього часу мають обмежене застосування. Альтернативним є підхід з використанням теорії грубих (робастних) систем, які, звичайно, забезпечують більш прості рішення при частковій компенсації обмежених варіацій змінного параметру.

Отже, розробка алгоритмів векторного керування АД простих з точки зору практичної реалізації та грубих до варіацій активного опору роторного кола, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота з теми дисертації проводилася відповідно до планів досліджень Національного технічного університету України “КПІ” по темам: „Принципи створення та дослідження оптимальних, енергозберігаючих електроприводів і електромеханічних систем автоматичного керування” (№ ДР 0198U001317); „Теоретичні основи енергозберігаючих електромеханічних систем автоматичного керування складними об’єктами з асинхронними двигунами обертового і лінійного руху” (№ ДР 0100U000590); „Основи теорії керування енергозберігаючими електромеханічними системами з електроприводами змінного струму на основі принципу пасивності” (№ ДР 0103U00145), Міністерства освіти та науки України. У зазначених темах здобувач був виконавцем за розділами, пов'язаними з аналітичним дослідженням систем векторного керування АД.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є синтез, теоретичне та практичне дослідження нових алгоритмів векторного керування АД, які мають підвищені властивості грубості по відношенню до варіацій активного опору роторного кола АД та розробка рекомендацій на цій основі по створенню систем векторного керування з високими динамічними властивостями та показниками енергетичної ефективності.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні основні задачі:

- синтез алгоритмів векторного керування АД на основі принципу розділення з використанням асимптотично експоненційно стійких спостерігачів потокозчеплення ротора, які є грубими до параметричних збурень;

- синтез та дослідження нових асимптотичних спостерігачів магнітного потоку ротора АД з підвищеними властивостями грубості до варіацій активного опору ротора;

- синтез грубого алгоритму прямого векторного керування АД за вектором вимірюваних змінних (зі спостерігачем магнітного потоку зниженого порядку), який гарантує глобальне асимптотичне експоненційне відпрацювання заданих траєкторій потокозчеплення-швидкості при дії невідомого постійного моменту навантаження;

- створення комп’ютерних математичних моделей розроблених структур векторного керування АД та їх дослідження з позицій грубості до параметричних збурень роторного кола методом математичного моделювання;

- створення експериментальної установки і дослідження динамічних та енергетичних характеристик розроблених систем векторного керування АД;

- розробка засобів технічної реалізації синтезованого алгоритму векторного керування асинхронним двигуном на основі сучасних цифрових сигнальних процесорів для створення промислових систем векторного керування АД.

Об’єктом дослідження є процеси керування електромеханічним перетворенням енергії в системі векторно-керованого асинхронного електроприводу.

Предметом дослідження є алгоритми векторного керування АД для систем з підвищеними властивостями грубості до варіацій активного опору ротора.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у дисертації задач використовувалися: другий метод Ляпунова, керування за вимірюваним виходом, лінеаризації зворотним зв’язком, математичне моделювання, використання експериментальних установок векторно-керованного асинхронного електроприводу, побудованих на основі цифрових сигнальних процесорів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше теоретично обґрунтовані алгоритми векторного керування асинхронним двигуном, що синтезовані на основі принципу розділення, при використанні замкнених спостерігачів магнітного потоку АД з властивостями асимптотичної експоненційної стійкості;

- синтезовано раніше невідоме сімейство грубих замкнених спостерігачів магнітного потоку асинхронного двигуна та розроблена нова методика їх дослідження, за допомогою якої виявлені структури, які гарантують грубість по відношенню до варіацій активного опору роторного кола АД;

- синтезовано новий алгоритм грубого векторного керування по вимірюваному виходу з замкненим спостерігачем магнітного потоку зниженого порядку, який забезпечує глобальне експоненційне асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій потокозчеплення та кутової швидкості при дії невідомого постійного моменту навантаження;

- вперше експериментально підтверджено, що показники якості керування і енергетичної ефективності запропонованого грубого алгоритму векторного керування при наявності обмежених варіацій активного опору ротора наближаються до показників якості, які можуть бути отримані при відсутності варіацій вказаного параметру.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

- створено програмне забезпечення для реалізації запропонованих алгоритмів векторного керування, яке може бути використане при проектуванні електромеханічних систем на основі АД з високими вимогами до динамічних характеристик та показників енергетичної ефективності;

- запропоновано методики дослідження властивостей грубості спостерігачів магнітного потоку і алгоритмів векторного керування АД до параметричних збурень та розроблено пакет моделюючих програм в середовищі Matlab та Simnon;

- створена експериментальна установка (станція швидкого прототипного тестування алгоритмів керування електроприводами) на базі сучасного DSP контролера TMS320C32 (Texas Instruments), яка дозволяє виконувати дослідження алгоритмів керування будь-яким типом електричних машин, в тому числі і АД;

- розроблено уніфікований контролер на основі цифрового сигнального процесора TMS320LF240xA для реалізації запропонованих алгоритмів векторного керування у серійних промислових виробах;

- створено експериментальний зразок векторно-керованого асинхронного електропривода, який за своїми динамічними показниками та енергетичною ефективністю не поступається існуючим на ринку України закордонним виробам і задовольняє вимогам більшості високодинамічних застосувань.

Результати дисертаційної роботи використовуються на кафедрі автоматизації електромеханічних систем та електроприводу Національного технічного університету України “КПІ” для студентів спеціальності 7.092203 – “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод”, при вивченні дисциплін “Основи електромехатроніки”, “Електропривод та системи керування електромехатронними системами”.

Результати дисертаційної роботи використані при створенні уніфікованого DSP контролера для системи векторного керування АД ЕКТ-4 на Запорізькому електроапаратному заводі.

Використання результатів дисертації підтверджено відповідними документами.

Особистий внесок автора. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: в роботах [2], [4], [9] – обґрунтування структури підсистеми керування потокозчепленням АД; в [1], [11], [12] --– виконані дослідження нелінійних спостерігачів та алгоритмів векторного керування шляхом математичного моделювання; в роботах [3], [6], [8], [10], [12], [13] – експериментальні дослідження структур векторного керування АД; у роботі [5] – розробка схемотехнічних та програмних рішень для практичної реалізації системи векторного керування АД.

Апробація результатів дисертації. Теоретичні положення, результати та висновки дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, 1999 – 2002 р.р.); “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2000, 2002 р.р.); “Проблеми створення нових машин та технологій” (м. Кременчук, 2001, 2002 р.р.). Міжнародних конференціях IEEE IECON-2001 (м. Денвер, США), IEEE IECON-2002 (м. Севілья, Іспанія), EPE-PEMC’02 (м. Дубровнік-Кавтат, Хорватія).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 13 публікаціях, з них 10 статей в наукових фахових виданнях і 3 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 236 сторінок, у тому числі 162 сторінки основного тексту, 66 рисунків, 6 таблиць, список використаних джерел з 112 найменувань та 9 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі проведено аналіз існуючих теоретичних та практичних рішень в області векторного керування асинхронним двигуном. Такі питання розглядалися у багатьох публікаціях як іноземних, так і вітчизняних авторів. Зокрема в Україні значний внесок у розвиток керування асинхронним двигуном зробили О. В. Садовой, О. В. Волков, С. М. Радімов, Е. М.Чехет.

В результаті аналізу встановлено, що починаючи з піонерської роботи Ф. Блашке, концепція орієнтації за полем АД стала основою для створення алгоритмів векторного керування з використанням принципу розділення. Для цього розроблено та досліджено велику кількість асимптотичних спостерігачів магнітного потоку. Отримані таким чином технічні рішення, не будучи строго теоретично обґрунтованими, на практиці демонструють задовільні показники якості керування. Разом з тим теоретичне обґрунтування принципу розділення у випадку нелінійних об’єктів, до яких відноситься АД, а також вибір доцільних структур спостерігачів магнітного потоку визначають не розв’язані в повному обсязі задачі керування АД.

Теоретично обґрунтовані алгоритми векторного керування АД, отримані за останнє десятиріччя, розв’язують задачу керування моментом (кутовою швидкістю) та модулем потокозчеплення, гарантуючи системі керування властивості асимптотичної стійкості, однак у більшості випадків є досить складними з точки зору практичної реалізації. Як теоретично обґрунтовані алгоритми керування, так і технічні рішення, отримані на основі принципу розділення, потребують використання параметрів АД, які можуть суттєво змінюватися в процесі роботи. Основним з них, тобто таким, що значно змінюється, є активний опір ротора. Варіації активного опору ротора, який недоступний для вимірювання, призводять до порушення умов орієнтації за вектором потокозчеплення ротора, та до похибок його регулювання як по модулю, так і по кутовому положенню. В результаті погіршуються динамічні показники якості керування, можлива навіть втрата стійкості, а також збільшуються втрати активної потужності в електричній машині. Важливо також відмітити, що більшість аналітичних рішень досліджувалося лише за допомогою математичного моделювання без експериментального підтвердження їх працездатності.

На підставі аналізу зроблено висновок про необхідність розробки, дослідження та експериментального тестування нових алгоритмів прямого векторного керування (зі спостерігачем потокозчеплення), які б гарантували: асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій змін кутової швидкості та модуля потокозчеплення, забезпечуючи при цьому глобальну (локальну) асимптотичну стійкість, грубість по відношенню до варіацій активного опору роторного кола, простоту технічної реалізації.

У другому розділі виконано теоретичне обґрунтування можливості застосування принципу розділення для проектування алгоритмів векторного керування асинхронним двигуном з використанням замкнених спостерігачів магнітного потоку, які мають властивості асимптотичної стійкості.

Для стандартної двофазної нелінійної моделі АД п’ятого порядку у синхронній системі координат (d-q) [2], що отримана на основі узагальненої електричної машини, синтезовано двомірний алгоритм керування моментом та модулем потокозчеплення з припущенням, що вектор потокозчеплення ротора є доступним для вимірювання. Синтез виконано з використанням методу лінеаризації зворотнім зв’язком за повністю вимірюваним вектором змінних стану. Розроблений нелінійний алгоритм керування здійснює ідеальну декомпозицію вихідної нелінійної моделі АД на дві розв’язані лінійні підсистеми моменту та модуля потокозчеплення ротора, в яких регулятори можуть бути спроектовані з використанням методів лінійної теорії керування. У відповідності з принципом розділення, в синтезованому алгоритмі керування невимірювані компоненти вектору потокозчеплення ротора замінені на значення, які оцінюються за допомогою будь-якого глобально асимптотично експоненційно стійкого спостерігача магнітного потоку. Результуючі рівняння синтезованого алгоритму керування моментом-модулем потокозчеплення мають вигляд:

- асимптотично лінеаризуючий регулятор по вимірюваному виходу

(1)

(2)

- спостерігач потокозчеплення ротора

(3)

- алгоритм відпрацювання моменту

(4)

- алгоритм регулювання струму по осі (q)

(5)

(6)

- алгоритм регулятора модуля потокозчеплення

(7)

- алгоритм регулятора струму по осі (d)

(8)

(9)

де , , , – компоненти векторів напруги та струму статора в стаціонарній системі координат (a-b) і асимптотично орієнтованій по вектору потокозчеплення ротора (d-q); – кутова швидкість; – оцінка модуля вектора потокозчеплення, , , – задані значення струмів, модуля потокозчеплення та моменту, а також їх похідні; , , – відповідні похибки відпрацювання; , , , , – індуктивності та активні опори АД; – коефіцієнти пропорційної та інтегральної складових регуляторів струму та потокозчеплення; і – корегуючі зворотні зв’язки спостерігача магнітного потоку, які будуть визначені далі при вирішенні задачі керування кутовою швидкістю; одна пара полюсів прийнята без втрати загальності.

В роботі показано, що в силу дії нелінійного алгоритму керування (1) – (9) еквівалентні рівняння похибок відпрацювання і оцінювання набувають наступної стандартної форми (при )

(10)

(11)

де ,;, – похибки оцінювання вектора потокозчеплення. В (10) матриця є Гурвіцевою для всіх. Якщо така, що задовольняє розв’язку рівняння Ляпунова, де , , тоді підсистема оцінювання (11) має глобально експоненційно стійке положення рівноваги, а композитна система (10), (11) буде асимптотично стійкою при всіх , тобто . Із останньої умови слідує, що , , , тобто забезпечується асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій моменту та модуля потокозчеплення при асимптотичній орієнтації по вектору потокозчеплення ротора. В роботі доведено, що даний висновок є справедливим, якщо для формування динаміки підсистеми оцінювання (11) використовується будь-який асимптотично експоненційно стійкий спостерігач магнітного потоку. Важливість цього результату полягає у свободі вибору структури асимптотичного спостерігача потокозчеплення ротора з метою зниження його чутливості до параметричних збурень АД.

У третьому розділі виконано синтез сімейства асимптотичних спостерігачів магнітного потоку АД повного порядку. При цьому розглядається базова структура спостерігача магнітного потоку, заданого у вигляді моделі електричної частини АД:

. (12)

Для проектування корегуючих зв’язків, застосовувався другий метод Ляпунова, для чого розглядалися квадратична та енергетична форми функції Ляпунова [10]. В результаті синтезовано сімейство асимптотичних спостерігачів магнітного потоку АД, які вміщують більшість можливих варіантів їх побудови з використанням розглянутих форм функцій Ляпунова. Отримані структури оцінювання вектора магнітного потоку досліджено шляхом математичного моделювання з метою виявлення найбільш грубих до варіацій активного опору ротора.

На рис. 1 показано результати дослідження грубості для двох спостерігачів магнітного потоку: розімкненого, заданого у вигляді моделі електричної частини АД , та замкненого спостерігача, синтезованого з використанням функції Ляпунова в формі повної електромагнітної енергії [10]. Криві на рис. 1 отримані з розгляду статичного режиму при змінній кутовій швидкості та відпрацюванні номінального моменту навантаження. Параметр , де – значення активного опору роторного кола що використовується в спостерігачі (алгоритмі керування), – реальне значення активного опору ротора.

З розгляду результатів дослідження синтезованих структур оцінювання магнітного потоку встановлено, що спостерігач, синтезований з використанням енергетичної функції Ляпунова, є одним з найбільш грубих по відношенню до варіацій активного опору роторного кола АД. Синтезований спостерігач демонструє значно вищу якість оцінювання вектора потокозчеплення у порівнянні з розімкненим спостерігачем. Тобто, при наявності варіацій активного опору ротора, похибка оцінювання зменшується на декілька порядків, коли швидкість ротора перевищує 15 % номінального значення.

Для досліження поведінки системи векторного керування вцілому було виконано математичне моделювання системи прямого векторного керування моментом АД з використанням розроблених структур оцінювання магнітного потоку. Результати дослідження показали, що у порівнянні зі стандартними рішеннями, алгоритми векторного керування, побудовані на грубих асимптотичних спостерігачах магнітного потоку, є більш грубими по відношенню до варіацій активного опору роторного кола. Разом з тим, їх практична реалізація у цифровій формі потребує підвищеної обчислювальної потужності, оскільки розроблені спостерігачі представлені системою диференційних рівнянь четвертого порядку. Крім того, розглянуті спостерігачі потребують інформації про напругу статора, або використання ідеального перетворювача частоти.

У четвертому розділі отримано теоретичне рішення задачі синтезу нового алгоритму прямого векторного керування з використанням спостерігача магнітного потоку зниженого порядку. Метою такого синтезу є максимальне спрощення алгоритму векторного керування з точки зору практичної реалізації, уникнення необхідності у вимірюванні напруги статора при збереженні показників якості керування та властивостей грубості до параметричних збурень. Для цього синтезовано двомірний алгоритм векторного керування швидкістю та модулем потокозчеплення з використанням методу лінеаризації зворотнім зв’язком за вимірюваним вектором стану. Показано, що отриманий нелінійний алгоритм векторного керування здійснює асимптотичну декомпозицію вихідної, нелінійної моделі АД на дві асимптотично розв’язані підсистеми кутової швидкості та модуля потокозчеплення ротора.

Результуючі рівняння алгоритму керування кутовою швидкістю – модулем потокозчеплення мають спільну структуру з алгоритмом, наведеним рівняннями (1) – (9). У спостерігач магнітного потоку (3) вводяться синтезовані на основі другого методу Ляпунова корегуючі зворотні зв’язки. Таким чином, спостерігач магнітного потоку набуває вигляду:

(13)

Для переходу від алгоритму керування моментом, заданого рівняннями (1) – (9), до алгоритму керування кутовою швидкістю, додатково синтезовані:

- нелінійний пропорційно-інтегральний регулятор швидкості

(14)

- модифікований регулятор струму по осі (q)

(15)

де – задана траєкторія кутової швидкості з першою та другою похідними відповідно, – оцінка невідомого постійного моменту навантаження, , , – приведений до валу АД момент інерції, , – коефіцієнти інтегральної та пропорційної складових модифікованого регулятора струму, – коефіцієнти інтегральної та пропорційної складових регулятора швидкості. Структура розробленого алгоритму векторного керування показана на рис. 2.

Динаміка похибок відпрацювання при дії синтезованого алгоритму керування може бути записана у вигляді стандартної форми нелінійного поєднання двох підсистем

(16)

(17)

де – вектор змінних стану електромеханічної підсистеми, – похибка оцінювання моменту навантаження, – вектор змінних стану електромагнітної підсистеми,

Електромагнітна підсистема (17) синтезована другим методом Ляпунова за рахунок вибору корегуючих зв’язків () у спостерігачі магнітного потоку (3), що гарантує їй властивість глобальної експоненційної стійкості , де . Спостерігач магнітного потоку (12) при цьому є замкненим, що забезпечує грубість по відношенню до варіацій параметрів роторного кола при. Матриця електромеханічної підсистеми є постійною і може бути спроектована Гурвіцевою за рахунок . Матриці і , є такі, що взаємозв’язок в прямому каналі між двома підсистемами (16) і (17) має лінійні, білінійні властивості. Завдяки цьому в роботі доведено, що положення рівноваги є глобально експоненційно стійким при , що завжди може бути досягнуто вибором коефіцієнтів .

Таким чином, синтезований алгоритм векторного керування (1) – (9), (12), (14), (15) гарантує глобальне асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій кутової швидкості, глобальне експоненційне асимптотичне відпрацювання траєкторій магнітного потоку при асимптотичній орієнтації керування за вектором потокозчеплення ротора. Дві підсистеми (16) і (17) є асимптотично розв’язаними, оскільки з слідує , , і номінальна поведінка електромеханічної підсистеми задається лінійним рівнянням . Остання властивість дозволяє формувати динамічну поведінку підсистеми регулювання швидкості з використанням методів лінійної теорії керування за рахунок вибору коефіцієнтів регулятора швидкості та регулятора струму, наприклад, як у стандартних системах підпорядкованого регулювання параметрів.

Синтезований алгоритм векторного керування досліджено шляхом математичного моделювання при роботі з АД потужністю 0,75 кВт. Для дослідження використовувалися створені в пакеті MATLAB моделі АД, алгоритму векторного керування та спостерігачів магнітного потоку. З метою якісного та кількісного порівняння показників грубості синтезованого алгоритму векторного керування, в розділі приведено результати аналогічних тестів для стандартного алгоритму векторного керування [6]. В ході дослідження встановлено, що у порівнянні зі стандартним алгоритмом векторного керування, при наявності варіації активного опору роторного кола АД запропонований алгоритм забезпечує приблизно на порядок вищу якість відпрацювання заданих траєкторій швидкості та потокозчеплення. Показано, що рішення, отримане з використанням спостерігача магнітного потоку зниженого порядку, за показниками якості відпрацювання заданих траєкторій кутової швидкості-потокозчеплення не поступається рішенню отриманому з використанням спостерігачів магнітного потоку повного порядку. Разом з тим, синтезований у четвертому розділі новий алгоритм векторного керування є більш простішим з точки зору практичної реалізації.

У п’ятому розділі висвітлено результати створення експериментальної установки – станції швидкого прототипного тестування алгоритмів керування електроприводами [5], та виконаних з її допомогою досліджень синтезованих структур векторного керування, розглянуто питання практичної реалізації систем векторного керування на основі сучасних цифрових сигнальних процесорів.

Станція дозволяє виконувати практичну реалізацію та дослідження алгоритмів керування будь-яким типом електричних машин.

До складу станції швидкого прототипного тестування входить: АД потужністю 0,75 кВт з номінальним моментом 2,5 Нм, інвертор напруги, 32 розрядний DSP-контролер, персональний комп’ютер, та навантажувальний агрегат (рис. 3).

При дослідженні алгоритмів векторного керування використовувалася стандартна послідовність операцій керування, зображена на рис. 4. Задана траєкторія швидкості сформована таким чином, що при її відпрацюванні динамічний момент відповідає номінальному моменту двигуна. Профіль моменту навантаження показано на рис. 4 пунктиром.

При виконанні експериментальних тестів використовувалися наступні значення регуляторів: , , , , , ,. Частота ШІМ 10 кГц, такт квантування 200 мкс, роздільна здатність давача швидкості 1000 імп/об.

На рис. 5 показано перехідні процеси в системі векторного керування при використанні синтезованого грубого (зі спостерігачем зниженого порядку) та стандартного алгоритмів векторного керування [6], за умов відсутності параметричних збурень.

Як видно з рис. 5, відпрацювання заданої траєкторії швидкості відбувається з похибкою 0,3 рад/с при роботі грубого алгоритму векторного керування, і з похибкою в 2 рад/с при роботі стандартного алгоритму векторного керування. У випадку прикладання-зняття моменту навантаження, похибка для обох алгоритмів складає близько 3.5 рад/с. В статичному режимі похибка відпрацювання заданих траєкторій швидкості дорівнює нулю при роботі обох алгоритмів векторного керування. На рис. 6 показано результат дослідження поведінки алгоритмів векторного керування при наявності параметричних збурень, а саме коли . З рис. 6 видно, що за вказаних умов, грубий алгоритм векторного керування забезпечує ту ж саму якість відпрацювання заданих траєкторій швидкості, що і при відсутності параметричних збурень. В той же час, динаміка стандартного алгоритму векторного керування значно деградує, рис. 6а, і не може вважатися задовільною для технологічних застосувань з високими вимогами до якості відпрацювання заданих траєкторій кутової швидкості. Аналогічні експериментальні дослідження було проведено для АД потужністю 30 кВт, за допомогою створеного в процесі виконання роботи уніфікованого DSP контролера, та силового перетворювача ЕКТ-4 на Запорізькому електроапаратному заводі.

Для дослідження енергетичної ефективності процесів електромеханічного перетворення енергії в усталених режимах роботи АД, проведено серію експериментів, при яких порівнювалися усталені режими роботи електроприводу. На рис.7 показано залежність активної потужності, що споживається АД, від варіації активного опору роторного кола.

З розгляду кривих, що відповідають номінальному моменту навантаження, встановлено, що втрати активної потужності при становлять 125 Вт для грубого алгоритму векторного керування і 230 Вт для стандартного алгоритму векторного керування, при механічній потужності на валу двигуна 125 Вт, коли швидкість обертання ротора становить 50 рад/с. Перерахувавши отримані значення в ККД для номінального режиму двигуна, отримаємо, що при роботі грубого алгоритму векторного керування ККД становить 86 %, в той час як для стандартного алгоритму керування ККД становить 76 %.

Виконані експериментальні дослідження, як і результати моделювання, підтверджують, що у порівнянні зі стандартними алгоритмами векторного керування, використання грубого алгоритму векторного керування АД, завдяки властивостям глобальної експоненційної стійкості підсистеми потокозчеплення, дозволяє значно підвищити як динамічні показники якості при відпрацюванні заданих траєкторій потокозчеплення-швидкості, так і енергетичну ефективність процесу електромеханічного перетворення енергії.

В розділі розглянуто принципи побудови уніфікованого асинхронного електроприводу з векторним керуванням. Виконано розробку і обґрунтування функціональної схеми апаратної частини системи, розробку програмного забезпечення та приведено найбільш важливі схемотехнічні рішення, які було створено та досліджено в ході проектування експериментальної установки.

На основі отриманих результатів розроблено та виготовлено уніфікований контролер на базі цифрового сигнального процесора TMS320LF240xA, а також експериментальний зразок асинхронного векторно-керованого електроприводу потужністю 2,2 кВт. Результати даної розробки дозволяють підготувати до серійного випуску систему уніфікованого асинхронного електроприводу з використанням розроблених у роботі грубих алгоритмів векторного керування.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія векторного керування АД і на цій основі вирішено актуальну науково-технічну задачу синтезу, теоретичного та практичного дослідження нових алгоритмів векторного керування АД, які мають підвищені властивості грубості по відношенню до варіацій активного опору роторного кола АД, що є суттєвим при створенні систем векторного керування з високими динамічними властивостями та показниками енергетичної ефективності. При цьому отримано наступні основні результати:

1. На підставі аналізу існуючих рішень в області векторного керування АД обґрунтована актуальність розробки нових алгоритмів векторного керування АД, які б забезпечували високі показники якості регулювання потокозчеплення-швидкості, були грубими до варіацій активного опору роторного кола та простими з точки зору практичної реалізації.

2. Теоретично обґрунтована правомірність застосування принципу розділення для синтезу алгоритмів прямого векторного керування АД. Для цього розроблено новий алгоритм відпрацювання заданих траєкторій моменту та модуля потокозчеплення ротора, який може використовуватися з будь-яким асимптотично експоненційно стійким спостерігачем потокозчеплення ротора.

3. Розроблено сімейство замкнених асимптотично-експоненційно стійких спостерігачів магнітного потоку АД та виконано їх повномасштабне дослідження, в результаті якого виявлені алгоритми оцінювання вектора потокозчеплення, які забезпечують підвищені показники грубості до варіацій активного опору ротора.

4. Досліджено алгоритм прямого векторного керування з замкненим спостерігачем магнітного потоку зниженого порядку, який забезпечує: глобальне асимптотичне експоненційне відпрацювання заданих траєкторій швидкості та потокозчеплення при дії невідомого постійного моменту навантаження; асимптотичну орієнтацію за вектором потокозчеплення ротора; асимптотичну лінеаризацію підсистеми регулювання швидкості до лінійної повністю керованої форми; асимптотичну розв’язку процесів керування кутовою швидкістю та потокозчепленням АД; грубість алгоритму керування до варіацій активного опору роторного кола; простоту практичної реалізації. Встановлено, що розроблений алгоритм за показниками якості керування та властивостями грубості не поступається алгоритмам, що базуються на замкнених спостерігачах магнітного потоку повного порядку.

5. Створені комп’ютерні математичні моделі для досліджень синтезованих структур векторного керування.

6. Створено експериментальну установку на основі 32-розрядного цифрового сигнального процесора з плаваючою точкою, за допомогою якої можливо досліджувати алгоритми керування будь-яким типом електричних машин.

7. Виконано експериментальні дослідження синтезованого грубого алгоритму векторного керування, які повністю підтверджують висновки отримані теоретичним шляхом та за допомогою математичного моделювання. В результаті встановлено, що при наявності параметричних збурень запропонований алгоритм векторного керування дозволяє зберегти високі показники якості відпрацювання траєкторій швидкості та потокозчеплення, а також підвищити ККД системи векторного керування (до 10 % ) у порівнянні зі стандартними рішеннями.

8. Розроблені засоби технічної реалізації синтезованого алгоритму векторного керування асинхронним двигуном на основі сучасних цифрових сигнальних процесорів та створено експериментальний зразок асинхронного електроприводу потужністю 2,2 кВт, що дозволяє використовувати грубі алгоритми векторного керування з метою серійного випуску уніфікованих асинхронних електроприводів для систем, в яких пред’являються високі вимоги до показників якості керування та енергетичної ефективності процесу електромеханічного перетворення енергії.

9. Результати виконаних в дисертації досліджень знайшли застосування в навчальному процесі у Національному технічному університеті України “КПІ”, а також при створенні уніфікованого DSP контролера для системи векторного керування АД ЕКТ-4 на Запорізькому електроапаратному заводі.

10. Обґрунтованість та вірогідність наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджена узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковбаса С. Н. Исследование грубости наблюдателей магнитного потока асинхронного двигателя // Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета. –2001. – Вып. 1. –C. 87 – 92.

2. Пересада С. М., Ковбаса С. Н. Прямое векторное управление асинхронным двигателем со свойством глобальной экспоненциальной устойчивости // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. –2002. –Ч. 2. –С. 36 – 42.

3. Пересада С. М., Ковбаса С. Н. Простое бездатчиковое управление асинхронным двигателем с естественной ориентацией по полю машины // Вестник Национального технического университета „ХПИ”. – 2002. –Вып. 12. –Т.1. – С. 64 – 68.

4. Пересада С., Ковбаса С. Обобщенный алгоритм прямого векторного управления асинхронным двигателем // Технічна електродинаміка. –2002. –№4. –С. 17 – 22.

5. Пересада С., Ковбаса С., Тониэлли А. Станция быстрого моделирования алгоритмов управления электроприводом // Вестник Национального технического университета „ХПИ”. –1999. –Вып. 61. –С. 190 – 193.

6. Попович Н. Г., Пересада С. М, Ковбаса С. Н., Король С. В. Сравнительное тестирование алгоритмов векторного управления асинхронным двигателем // Вестник Национального технического университета „ХПИ”. –2001. –Вып. 10. –С. 26 – 31.

7. Попович Н. Г., Пересада С. М.,Ковбаса С. Н., Король С. В. Энергетически эффективные алгоритмы управления асинхронными двигателями электромеханических систем // Вестник Национального технического университета „ХПИ”. –2000. –Вып. 113. – С. 25 – 29.

8. Peresada S. , Kovbasa S., Tonielli A. Theoretical comparison of indirect fieldcontrollers for induction motors // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. –2002. –Вип. 1. –С. 43 – 49.

9. Peresada S., Kovbasa S., Tonielli A., Montanari M. Passivity-based current sensorless position-flux tracking controller for induction motor // Вестник Национального технического университета „ХПИ”. – 2003. –Вып. 10. –С. 51 – 56.

10. Peresada S., Tonielli A., Kovbasa S., Tilli A. Passivity – Based Design Of The Flux Observers For Induction Motors // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. –2000. –Ч. 6. –C. 29 – 33.

11. Peresada S., Tonielli A., Montanari M., Tilli A., Kovbasa S. Sensorless Indirect Field-Oriented Control of Induction Motors, Based on High Gain Speed Estimation // Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). IECON. –2002. –Vol. 2/4. –P. 1702 – 1709.

12. Peresada S., Tonielli A., Tilli A., Kovbasa S. and Montanari M. Simple Sensorless Vector Control of Induction Motors with Natural Field Orientation // Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). IECON 2001. –P. 641 – 646.

13. Chekhet E., Peresada S., Sobolev V., Kovbasa S. Experimental Evaluation of the High Performance Vector Controlled Matrix Converter-Fed Induction Motor // Proceedings of EPE-PEMC’02 Conference. –2002, paper T11-008 on CD-ROM.

АНОТАЦІЇ

Ковбаса С. М. Система векторного керування асинхронним двигуном з властивостями грубості до варіацій активного опору ротора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена питанням розробки та дослідження грубих до параметричних збурень алгоритмів векторного керування асинхронним двигуном, а також створенню на їх основі систем асинхронного векторно-керованого електроприводу.

Виконано теоретичне обґрунтування можливості застосування принципу розділення для синтезу алгоритмів векторного керування асинхронним двигуном з використанням замкнених спостерігачів магнітного потоку, які мають властивості асимптотичної експоненційно стійкості. Синтезовані та досліджені асимптотичні спостерігачі магнітного потоку АД з підвищеними властивостями грубості до варіацій активного опору ротора. Отримано теоретичне рішення задачі синтезу нового алгоритму векторного керування по вимірюваному виходу, який забезпечує асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій кутової швидкості та потокозчеплення, та має властивості глобальної експоненційної стійкості. Показано, що запропоноване рішення має підвищені властивості грубості по відношенню до варіацій активного опору роторного кола, є простим з точки зору практичної реалізації, а також демонструє більш високі показники якості відпрацювання траєкторій кутової швидкості-модуля потокозчеплення та енергетичної ефективності у порівнянні зі стандартними рішеннями. Розроблено експериментальну установку – станцію швидкого прототипного тестування алгоритмів керування електроприводами. Розроблено та створено експериментальний зразок векторно-керованого асинхронного електроприводу.

Ключові слова: система автоматичного керування, асинхронний електропривод, векторне керування, спостерігач магнітного потоку.

Ковбаса С. Н. Система векторного управления асинхронным двигателем со свойствами грубости к вариациям активного сопротивления ротора. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования грубых к параметрическим возмущениям алгоритмов векторного управления асинхронным двигателем, а также созданию на их основе систем векторно-управляемого асинхронного электропривода.

На основании сравнительного анализа существующих алгоритмов векторного управления обоснована актуальность создания и исследовании новых алгоритмов векторного управления, которые обеспечивают асимптотическую отработку заданных траекторий потокосцепления-скорости, грубость к вариациям активного сопротивления ротора, простоту технической реализации.

Выполнено теоретическое обоснование применимости принципа разделения для синтеза алгоритмов векторного управления асинхронным двигателем по измеряемому выходу, при использовании замкнутых наблюдателей магнитного потока АД со свойствами асимптотической экспоненциальной устойчивости. Для этого синтезирован новый алгоритм векторного управления моментом и потокосцеплением АД, который может базироваться на основе любого асимптотического наблюдателя магнитного потока.

Синтезировано семейство замкнутых асимптотических наблюдателей магнитного потока полного порядка и выполнено их полномасштабное исследование, в результате которого выявлено алгоритмы оценивания вектора потокосцепления, которые обеспечивают повышенные свойства грубости к вариациям активного сопротивления ротора.

Синтезирован новый грубый алгоритм прямого векторного управления АД по измеряемому выходу с наблюдателем магнитного потока пониженного порядка. Синтезированный алгоритм управления гарантирует системе векторного управления АД новые качества: глобальную асимптотическую экспоненциальную отработку заданных траекторий потокосцепления-скорости при действии неизвестного постоянного момента нагрузки, асимптотическую ориентацию по вектору потокосцепления ротора, асимптотическую линеаризацию подсистемы управления угловой скоростью до линейной полностью управляемой формы, асимптотическую развязку процессов управления потоком и угловой скоростью, грубость в отношении вариаций активного сопротивления ротора, простоту технической реализации. Разработанный алгоритм исследован методом математического моделирования.

Создана экспериментальная установка – станция быстрого прототипного тестирования алгоритмов управления электроприводами, которая позволяет выполнять экспериментальные исследования алгоритмов управления любым типом электрических машин.

Выполнено полномасштабное экспериментальное тестирование системы векторного управления АД с использованием разработанного в работе грубого алгоритма векторного управления на основе наблюдателя магнитного потока пониженного порядка. Результаты экспериментального тестирования подтверждают все выводы о высоких показателях качества регулирования скорости-потокосцепления, а также о грубости синтезированного алгоритма векторного управления, полученные в ходе проектирования и исследования алгоритма методом математического моделирования.

Экспериментально подтверждены повышенные показатели энергетической эффективности процесса электромеханического преобразования энергии в асинхронном электроприводе при использовании синтезированного грубого алгоритма векторного управления. Показано, что по сравнению со стандартным алгоритмом векторного управления, применение разработанного грубого алгоритма в некоторых режимах позволяет повысить КПД процесса электромеханического преобразования энергии до 10%.

Выполнена практическая реализация системы векторного управления асинхронным двигателем в виде экспериментального образца мощностью 2,2 кВт. Разработанное программное обеспечение и структура аппаратной части асинхронного электропривода позволяют использовать полученные в работе грубые алгоритмы векторного управления с целью серийного выпуска унифицированных асинхронных электроприводов для систем, в которых предъявляются высокие требования к показателям качества управления и энергетической эффективности процесса электромеханического преобразования энергии.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре автоматизации электромеханических систем и электропривода Национального технического университета Украины “КПИ” для студентов четвертого и пятого курсов специальности 7.092203 – “Электромеханические системы автоматизации и электропривод”, при изучении курсов “Основы электромехатроники”, “Электропривод и системы управления электромехатронными системами”.

Результаты диссертационной работы использованы при создании унифицированного DSP контроллера для системы векторного управления АД ЭКТ-4 на Запорожском электроаппаратном заводе.

Обоснованность и достоверность приведенных в работе положений и рекомендаций подтверждается согласованием теоретических результатов с экспериментальными